第3章传热学有源强化
传热学-第三章
2021/5/9
cV d hA d
求通解ln hA c General Solution cV
初始条件 : 0，t t0， 0 t0 t
Initial condition
0
t t t0 t
exp
hA
cV
7
※
时间常数
c
cV
hA
e c
0
time constant
2021/5/9
2021/5/9
※ t x 4 a
热边界层 t
※
t
x 2 22
•
1 a
x2 16a
惰性时间 t x2
31
2021/5/9
（冰冻三尺 非一日之寒）
设大地温度为10ºC，后受到冷空气侵袭地表温度降 为-15ºC并维持不变。确定这种条件下地下1m 处温度
降为0ºC时所需时间？设土壤的物性为 a 1.38107 m2 / s
t
t0
2
end
26
2021/5/9
（1）建立物理模型 ( Physical Model ) （2）建立数学模型( Mathematical Model ) （3）求通解( General Solution ) （4）建立定解条件( initial and boundary condition) （5）求特解( Special Solution ) （6）求解换热量( Flowrate of heat）
1.瞬间换热量 transient heat transfer rate
hA(t
t )
hA
hA0
exp(
hA
cV
)
2. 0~ 内传给流体的总热量：
传热学课件第三章稳态导热
重点与难点
重点： 平壁、圆筒壁的一维稳态导热 难点： 肋片的导热
内容精粹
§1 通过平壁的导热
§2 通过圆筒壁 的导热
§3 通过球壁的导热
§4 接触热阻
§5 通过肋片的导热
第一节
通过平壁的导热
一、第一类边界条件下的平壁导热
当平壁的两表面分别维持均匀恒定 的温度时，平壁的导热为一维稳态导热。
1. 单层平壁的稳态导热
圆球型导热仪示意图
在导热过程达到稳态后，通过被测材料层的
热流量Ф 就等于电加热功率P，忽略球壳的导热
热阻，被测材料层的内、外径即为内球壳外径d1 和外球壳内径d2，内外两侧的温度分别等于内、 外球壁的平均壁温tw1、tw2
。则所测材料在tw1～
tw2温度范围内的平均热导率为：
（d 2 d1） m 2d1d（ 2 t w1 t w 2）
2. 多层平壁的稳态导热
多层平壁由多层不同材料组成，当两表面分别维 持均匀恒定的温度时，其导热也是一维稳态导热。 以三层平壁为例，假设 （1）各层厚度分别为1、2、3， 各层材料的导热系数分别为1、2、 3 , 且分别为常数； （2）各层之间接触紧密, 相互 接触的表面具有相同的温度； （3）平壁两侧外表面分别保持 均匀恒定的温度tw1、tw4。 显然，通过此三层平壁的导热为 稳态导热, 各层的热流量相同。
tw1 tw 4 l Rl1 Rl2 Rl3 tw1 tw 4 d3 1 d2 1 1 d4 ln ln ln 21 d1 22 d 2 23 d3
对于 n层不同材料组成的多层圆筒壁的稳态导热 , 单位 长度的热流量为
l
tw1 tw n 1
三层平壁稳态导热的总导热热阻为各层导热热阻 之和，由单层平壁稳态导热的计算公式可得 tw1 tw 4 tw1 tw 4 3 1 2 R1 R 2 R 3 A1 A2 A3
传热学第三章答案(精品资料).doc
【最新整理，下载后即可编辑】第三章思考题1. 试说明集中参数法的物理概念及数学处理的特点答：当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。
而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以至于不需要关心温度在空间的分布，温度只是时间的函数，数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。
2. 在用热电偶测定气流的非稳态温度场时,怎么才能改善热电偶的温度响应特性?答：要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数hA cvc ρτ=,形状上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶表面的对流换热。
3. 试说明”无限大平板”物理概念,并举出一二个可以按无限大平板处理的非稳态导热问题答；所谓“无限大”平板，是指其长宽尺度远大于其厚度，从边缘交换的热量可以忽略不计，当平板两侧换热均匀时，热量只垂直于板面方向流动。
如薄板两侧均匀加热或冷却、炉墙或冷库的保温层导热等情况可以按无限大平板处理。
4.什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段?这一阶段在物理过程及数学处理上都有些什么特点?答：非稳态导热过程进行到一定程度,初始温度分布的影响就会消失，虽然各点温度仍随时间变化,但过余温度的比值已与时间无关，只是几何位置(δ/x)和边界条件(Bi数)的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称为正规状况阶段或充分发展阶段。
这一阶段的数学处理十分便利，温度分布计算只需取无穷级数的首项进行计算。
5.有人认为,当非稳态导热过程经历时间很长时,采用图3-7记算所得的结果是错误的.理由是：这个图表明,物体中各点的过余温度的比值与几何位置及Bi有关,而与时间无关.但当时间趋于无限大时,物体中各点的温度应趋近流体温度,所以两者是有矛盾的。
你是否同意这种看法,说明你的理由。
答：我不同意这种看法，因为随着时间的推移，虽然物体中各点过余温度的比值不变但各点温度的绝对值在无限接近。
这与物体中各点温度趋近流体温度的事实并不矛盾。
传热学-第三章
例 一直径为5cm的钢球，初始温度为450℃，突然被放置于 温度为30℃的空气中。设钢球表面与周围环境间的表面传热 系数为24w/(m2K)，试计算钢球冷却到300℃所需的时间。 已知钢球的比热c=0.48kJ/(kgK)，密度=7753kg/m3，导热 系数=33w/(mK)。 解：首先检验是否可以采用集总参数法。为此计算Biv数：
(4) 无量纲数的简要介绍 基本思想：当所研究的问题非常复杂，涉及到的参数很多， 为了减少问题所涉及的参数，将一些参数组合起来，使之 能表征一类物理现象，或物理过程的主要特征，并且没有 量纲。
因此，这样的无量纲数又被称为特征数，或者准则数， 比如，毕渥数又称毕渥准则。以后会陆续遇到许多类似的 准则数。特征数涉及到的几何尺度称为特征长度，一般用 符号 l 表示。
30 1200
解得 =329s=0.091h
§3-3 典型一维物体非稳态导热的分析解
1. 无限大平板的分析解
已 知 ： 厚 度 为 2 的 无 限 大 平 板 ， 初温为t0，初始瞬间将其放 于 温 度 为 t∞ 的 流 体 中 ， 而 且t0>t∞，流体与板面间的 表面传热系数h为一常数。
常数 ( cV / hA) 小。
对于测温的热电偶节点，时间常数越小、说明热电 偶对流体温度变化的响应越快。这是测温技术所需要的 (微细热电偶、薄膜热电阻)
当 4 Vc 时， 1.83% hA
0
工程上认为=4 cV / hA时，导热体已达到热平衡状态
3. 瞬态热流量
Φ( ) hA(t ( ) t ) hA
边界条件
t 0 x 0 x
(对称性)
t x
h(t
t )
传热的强化途径简述
传热的强化途径简述换热器广泛运用在化工，制药，冶金，能源，石油，动力等工业领域在生产中占有重要的地位，在一般的化工工业建设中，换热器建设投资金额往往可以占到总工业建设投资的10%~20%，目前在化工领域我国的能源利用率与发达国家仍有较大的差距，这与目前我国发展的绿色化工方向有所不符，因此如何强化传热便成为化工生产实践中必须要骄傲考虑的大问题。
以下我将从换热器原理出发，分析影响换热器换热效率的较大因素，并通过查询文献对这些问题给出较为可行的意见，同时对未来可能发展做出展望。
一、影响换热的主要因素目前化工生产中的换热器多为间壁式换热器，通常而言，间壁式换热器冷、热流体的传热进程主要含有三个阶段，一，基于对流方式使热量向管壁进行传递；二，通过热传导方式，让热量从管壁一侧向另一侧完成传递；三，传递到另一侧位置的热量又通过对流方式向冷流体实现传递。
间壁换热器换热的三个步骤里，热传导存在于管壁内部其热阻相对较小，进而不会对传热造成较大影响。
总结可得，在换热器的传热过程中对与换热影响较大的为对流传热。
影响对流传热速率因素包括多个方面，一，流体本身性质，由于流体的粘度，导热系数，热容，密度等都不相同，故不同流体流经同样的换热器其导热速率也不尽相同。
二，流动形式，流体在换热管路中的流动大致可以被分为两种形式，层流与湍流，层流形态中起导热作用的中介主要为流体分子，而湍流中起导热作用的主要中介为流体质点与流体微团，由于质点与微团热运动剧烈程度要比流体分子高许多，因此湍流时流体的热阻要比层流时的热阻小得多。
三，流体种类与相变，若流体传热过程中发生相变化其传热机理将发生变化，这也将体现在流体的传热系数的差异上。
四，传热面位置、形状及大小，包括板，管，翅片以及环隙等在内的传热面的形状、管径与管长等都为影响传热速率因素。
传热面布置与方位等均会使对流传热系数备受直接影响。
五，流体流动成因，流体流动可被分为强制对流和自然对流，在化工生产中一般采用泵等做功设备使流在换热器内发生体强制对流，强制对流传热系数比自然对流要高得多。
传热学第三章
θ (x,τ ) = θ (x,τ ) ⋅ θm (τ ) ;
θ (x,τ ) = f (Bi,
x )
θ0
θm (τ ) θ0
θm (τ )
δ
传热学 Heat Transfer
3-4 二维及三维非稳态导热的求解
在二维和三维非稳态导热问题中，几种典型几何 形状物体的非稳态导热问题可以利用一维非稳态导 热分析解的组合求得。无限长方柱体、短圆柱体及 短方柱体就是这类典型几何形状的例子。
华北电力大学
∂θ ∂τ
=
a
∂ 2θ ∂x 2
τ = 0,θ = θ0
x = 0,τ > 0,θ = 0
x → ∞,τ > 0,θ = θ0
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
三、解的结果
Θ
=
θ θ0
=
t − tw t0 − tw
=
erf
(
式中:
η=
2
x aτ
x 4aτ
)
=
erf
(η
)
erf (η) 称为误差函数 ,查图 3-12和附录17计算。
华北电力大学
刘彦丰
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
矩形截面的无限长方柱体是由两个无限大平壁 垂直相交而成；短圆柱是由一个无限长圆柱和一个 无限大平壁垂直相交而成 ；短方柱体（或称垂直六 面体）是由三个无限大平壁垂直相交而成；
华北电力大学
刘彦丰
传热学 Heat Transfer
对于无限长方柱体
Fo
=
aτ l2
称为傅立叶数
FoV
=
aτ (V / A)2
强化传热
强化传热技术一、概述近年来，随着中国经济的快速发展，石油、化工等行业得到了长足的发展，各工业部门都在大力发展大容量、高性能设备，并且随着能源危机的进一步加大，对换热器的性能要求进一步提高，换热器向着尺寸小、重量轻、换热能力大、换热效率高的方向发展，因此强化传热技术成为一个蓬勃发展的研究领域。
强化传热技术分为无源强化技术（或被动式强化技术、无功强化技术）和有源强化技术（或主动式强化技术、有功强化技术）。
前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术；后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。
本文主要介绍了管壳式换热器的无源强化传热技术。
只要存在着温度差，热量就会自发地有高温转向低温，因此热传递是自然界中的基本物理过程之一。
因很多冶金的化学反应都需要控制在一定温度下进行，为了维持所要求的温度，物料在进入反应器之前往往需要预热或冷却；在冶金进程中，由于反应本身需吸收或放出热量，又要及时补充或移走热量。
如闪速炼钢过程，为了强化熔炼反应，需将富氧气预热至500℃以上；又如硫化锌精矿的流态化焙烧过程，由于反应放出大量的热，炉子外面需设置冷却水套，及时移走多余的热量。
此外，还有一些过程虽然没有化学反应发生，但仍需维持在一定的温度下进行，如干燥和结晶，蒸发与热流体的输送等，都直接或间接与传热油关。
热传递过程可以分为导热、对流换热和辐射换热等三种基本方式，它们各自有不同的传热规律，实际中遇到的传热问题都常常是几种传热方式同时起作用。
二从传热学得出换热器的传热量可用下式进行计算，即TQ∆=，式中：kkF为传热系数，W/（m2*K）；F为传热面积，m2；为冷热液体的平均温差T∆，K。
从式中可以看出，欲增加传热量Q，可以增加k、F或T∆来实现。
下面对此加以讨论。
1：增加冷热液体的平均温差T∆在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流和混合流。
在冷热流体进出温度相同时，逆流的平均温差T∆最小，因此∆最大，顺流时T为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。
传热学_第3章
x
Q c
t0 t ( x, ) dV
当物体和周围流体达到热平衡时放出的总热量
Q0 cV
t0 t
(t0 t ) (t t ) dV V t0 t
1 Q c V [t0 t ( x, )]dV V Q0 cV (t0 t )
1
2
物体内初始温度分布消 失，各点的温度变化具有一 定的规律。
2
3－2 一维非稳态导热的分析解
第三类边界条件下大平壁、长圆柱及球体的加热 或冷却是工程上常见的一维非稳态导热问题。 1. 无限大平壁对称冷却或加热问题的分析解
假设：厚度为2，、为常数， 无内热源，初始温度与两侧流体 相同，为 t0。两侧流体温度突然 降低为 t ，并保持不变，平壁表 面与流体间对流换热表面传热系 数h为常数。 tf t 考虑温度场的对称性，选取 坐标系如图。 这是一维非稳态导热问题。
上式的几何意义：在整个非稳 态导热过程中平壁内过余温度 分布曲线在边界处的切线都通 O( / ,0) 点 , 即 O( / Bi,0) ，该点称为第 三类边界条件的定向点。
11
毕渥数Bi对温度分布的影响分析 (a) Bi0: 平壁导热热阻趋于零 ，平壁 内部各点温度在任一时刻都趋于一致，只 随时间而变化，变化的快慢取决于平壁表 面的对流换热强度。定向点在无穷远处。 工程上只要 Bi0.1，就可以近似地按这 种情况处理，用集总参数法进行计算。 (b) Bi: 对流换热热阻趋于零 ，非稳 态导热一开始平壁表面温度就立即变为流 体温度，相当于给定了壁面温度（第一类 边界条件），平壁内部的温度变化完全取 决于平壁的导热热阻。定向点位于平壁表 面上。 当Bi>100时可按此情况处理。 (c) 0<Bi<100，按一般情况处理。
传热学讲义——第三章
第三章 非稳态导热(unsteady state conduction)物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。
0≠τ∂∂t，任何非稳态导热过程必然伴随着加热或冷却过程。
根据物体内温度随时间而变化的特征不同，非稳态导热过程可分为两类：（1）周期性导热（periodic unsteady conduction ）：物体的温度按照一定的周期发生变化； 如建筑物的外墙和屋顶温度的变化。
（2）瞬态导热(transient conduction)：物体的温度随时间不断升高或降低，在经历相当长时间后，物体的温度逐渐趋于周围介质的温度，最终达到热平衡。
分析非稳态导热的任务：找出温度分布和热流密度随时间和空间的变化规律。
第一节 非稳态导热的基本概念一、瞬态导热过程采暖房屋外墙墙内温度变化过程。
采暖设备开始供热前：墙内温度场是稳态、不变的。
采暖设备开始供热：室内空气温度很快升高并稳定；墙壁内温度逐渐升高；越靠近内墙升温越快；经历一段时间后墙内温度趋于稳定、新的温度分布形成。
墙外表面与墙内表面热流密度变化过程 采暖设备开始供热前：二者相等、稳定不变。
采暖设备开始供热：刚开始供热时，由于室内空气温度很快升高并稳定，内墙温度的升高相对慢些，内墙表面热流密度最大；随着内墙温度的升高，内墙表面热流密度逐渐减小；随着外墙表面的缓慢升高，外墙表面热流密度逐渐增大；最终二者相等。
上述非稳态导热过程，存在着右侧面参与换热与不参与换热的两个不同阶段。
（1）第一阶段（右侧面不参与换热）是过程开始的一段时间，特点是：物体中的一部分温度已经发生变化，而另一部分仍维持初始状态时的温度分布（未受到界面温度变化的影响），温度分布显现出部分为非稳态导热规律控制区和部分为初始温度区的混合分布，物体内各处温度随时间的变化率是不一样的，即：在此阶段物体温度分布受t分布的影响较大，此阶段称非正规状况阶段或初始阶段（initialregime）。
（2）第二阶段（右侧面参与换热）当右侧面参与换热以后，物体中的温度分布不受t影响，主要取决于边界条件及物性。
传热学第三章
unsteady state heat conduction
3-1 非稳态导热过程的特点
一、定义 导热体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热
∂t t = f ( x, y , z , τ ) , ≠0 ∂τ
工程中的许多过程都是非稳态导热： 冶金、热处理和热加工；工件被加热和冷却； 锅炉、内燃机、燃气轮机等装置启动、停机、变工况； 自然环境温度，供暖和停暖过程中墙内与室内空气温度。
四、导温系数（热扩散系数）
∂t ∂ t ρcp =λ 2 ∂τ ∂x
2
λ a = ρc p
∂t ∂ 2t =a 2 ∂τ ∂x
反映了物体的导热能力和储热能力之比，它可以用来衡量 物体在加热或冷却时内部温度变化传播速度。 λ越大，说明在相同的温度梯度下可以传递更多的热量；ρ c p 越小，单位体积的物体温度升高1℃所需要的热量越小，可以 剩下更多的热量继续向物体内部传递，使得物体内部各点温度 趋于一致的能力提高。
五、毕渥准则对温度分布的影响 αδ 毕 渥 准 则 — 无 量 纲 数 δ —平板厚度之半 Bi = λ αδ δ / λ 物体内部导热热阻 Bi = = λ 1/α 物体表面对流换热热阻
t0
τ
t0
τ
t0
τ
tf
tf
tf
tf
tf
tf
1 / α << δ / λ
Bi→∞
1 / α >> δ / λ
毕渥数Bi对平板温度场变化的影响
例题3-1 一直径为50mm的钢球，初始温度为450℃，突然 被置于温度为30℃的空气中。设钢球表面与周围空气的对流 换热系数为24W/(m2·K)，试计算钢球冷却到300℃时所需要 的时间。已知钢球的 c p = 480 J /(kg ⋅ K ), ρ = 7753kg / m3 , λ = 33W /(m ⋅ K ). 解： 首先检验是否可以采用集总参数法。
传热学 第3章(n)
第3章 非稳态传热
3.3 一维非稳态导热的分析解
当几何形状和边界条件都比较简单时可以获得分析解。
一、无限大平板的分析解
1、问题描述
λ =const a=const h=const
因两边对称，只研究半块平壁
第3章 非稳态传热
2、数学模型
t 2t 导热微分方程 a 2 x t x,0 t0 初始条件 t | x 0 0 边界条件 x t x | x ht , t
（初始阶段），正规状况阶段，建立新稳态阶段。
二类非稳态导热的区别：瞬态导热存在着有区别 的三个不同阶段，而周期性非稳态导热不存在。
第3章 非稳态传热
t
四、边界条件对温度分布的影响
一大平壁置于高温环境中。 问题的分析： 存在两个传热环节：
tf
tf h
h
0
x
tm
1、 流体与物体表面的对流换热 rh 1 h 2、 物体内部的导热 r
第三章 非稳态传热
第3章 非稳态传热
§ 3.1
基本概念
§3.2 集总参数法
§ 3.3 § 3.4
一维非稳态导热的分析解 二维及三维非稳态导热问题
第3章 非稳态传热
§ 3.1基本概念
一、定义
物体的温度随时间而变化的导热过程称非稳态导热。
二、分类
例子： ①空调房间，通过墙壁的导热 —周期性periodic unsteady conduction ②淬火过程 ——非周期性（瞬态）transient conduction
h 1）定义： Bi 1h
2）物理意义： 导热系统内导热热阻与其和环境之 间的对流换热热阻的相对大小。
关于简析强化传热技术及一些典型的应用
关于简析强化传热技术及一些典型的应用由于生产和科学技术发展需要强化传热从80年代起就引起了广泛的重视和发展。
表现在设计和制造各类高性能热设备，航空，航天及核聚变等尖端技术，计算机里密集布置电子元件的有效冷却。
正是上述原因促使人们对强化传热进行及为广泛的研究和探讨，从80年代到现在近20多的时间里，世界各国的科学领域里，有关强化传热研究报告举不胜数。
一、强化传热技术的分类（一）导热过程的强化导热是热量传递的三种基本方式之一，它同样也存在着强化问题。
导热是依靠物体中的质量（分子，原子，或自由电子）运动来传递能量。
固体内部不同温度层之间的传热就是一种典型的导热过程，但固体之间接触存在着接触热阻，降低了能量的传递，在高热流场合下，为了尽快导出热量必须设法降低接触热阻，一般可采用以下方法：1、提高接触面之间光洁度或增加物体间的接触压力以增加接触面积2、在接触面之间填充导热系数较高的气体（如氦气）3、在接触面上用电化学方法添加软金属涂层或加软技术垫片（二）辐射换热的强化辐射换热普遍存在于自然界和许多生产过程中，只要物体温度高于绝对零度，它就能依靠电磁波向外发射能量，所以物体之间总是存在着辐射换热，在物之间温度差别不是很大的情况下，辐射换热可以忽略，但在高温设备中辐射却是换热的主要方式。
而影响辐射换热的因素主要有：表面粗糙度，固体微粒，材料。
（三）对流换热强化对流强化传热与流体的物理特性，流动状态，流道几何形状，有无相变发生以及传热壁面的表面状况等许多因素有关。
其中对流换热的有源强化又可分为：利用机械搅动加强流体与壁面间的传热，流体脉动和传热面震动时的对流换热，电磁场作用下的对流换热，经过多孔壁有质量透过时的壁面换热。
而对流换热的无源换热又可分为：管内插入物对传热的增强，涡旋流动的强化传热，添加物对流换热，流化床与埋管间的传热，射流冲击。
二、强化传热的途径在热设备中应用强化传热技术的目的一般有：（1）增加输热量；（2）减少换热面积和缩小设备体积；（3）降低载热剂输送功率的消耗；（4）降低高温部件的温度。
传热学第3章
Bi→0时，平壁内温度分布趋于均匀一致
可用集总参数法处理
集总参数法的使用条件： 当Bi<0.1时，忽略物体内部导热热阻， 物体温度均匀一致
t f
集总参数法的应用范围：导热系数λ很大，或物体尺寸很小
集总参数法的应用实例：体温计、热电偶测量端
集总参数法的计算方法：
根据物体的热平衡关系：
热流量计算式：
2 sin 2 n 2 0 1 2 exp n Fo n1 n n sin n cos n
无限大平壁非稳态导热问题的另一种计算方法——计算线图法 计算Bi和Fo
计温 算度 步分 骤布
由图3－5计算中心温度
瞬态导热的例子
体温计
淬火
烹饪
周期性导热的例子
建筑外围护结构
第一节 非稳态导热的基本概念
1.瞬态导热： 以采暖房间外墙为例，在某一时刻，墙体某一侧空气 温度突然提高，墙体内部温度分布将随时间呈如下变化。 t
t w1
t w1
tw2
tw2
x
t－x坐标系
t－τ坐标系
q－τ坐标系
q－τ坐标系中：
热流量的计算：
2 sin 2 n 2 c 0 x, dx 2c0 1 2 exp n Fo n1 n n sin n cos n
令
0 2 c0 ——无限长时间后壁面冷却到tf时的最大放热量
研究对象： 厚度为2δ的无限大平壁在第三类边界 条件下突然冷却，由于两侧对称，因 而将坐标轴x的原点放在平壁中心， 并满足绝热边界条件 常物性时导热微分方程组如下： t 2t a 2 , 0,0 x x t 0 t 0 ,0 x t x 0 0, 0 x t x h t x t f , 0 x
第3章有源强化讲解
v v 1
u
u1
-
4xv D
1- 41x
u v/ 1 u1 v/1
• x处Re数 Re Re1(1- 41x )
• x处平均Nu数
Nu C Re1n
Nu 0x qmdx
πD xT
能源与环境学院
强化传热技术
中国 南京
2019/6/7
Nu0为无吸出的Nu值 • 换热强化比随β 增大而
增大，壁温则降低；
• Re1越大，质量吸出的 强化效果就越显著。
• 当多孔管出口堵死时， 流量只能从管壁透过。
• 当从104增加到105时， 管子中部的换热强化比 由4增为8。
能源与环境学院
强化传热技术
中国 南京
2019/6/7
• 离管子进口x处已吸出的流量 vπDx
x+
• x处已吸出的流量与进口流量之比 • 推导整理可得：
M1 41 x/D
Nua Num - RePr(Tsw -Tb )/(Tw -Tb )
能源与环表境观学努院 谢尔数
实际强努化谢传尔热数技术 吸出流体近壁处温度 2019/6/7
• 由于
能源与环境学院
强化传热技术
2019/6/7
电导率：(Ωm)-1
• n-己烷:2.2×10-3
• 二乙醚:3×10-8
• 氟利昂-113: 2.05 ×10-11
• 电极板与凝结板 最佳距离7mm,
• 液体电导率为10-8 ~10-11时效果最佳。
中国 南京
随 电 压 升 而 增
能源与环境学院
强二化传乙热技醚术,7mm,310kPa,70℃ 2019/6/7
能源与环境学院
传热学-影响间壁式换热器性能的因素及强化措施.doc
传热学-影响间壁式换热器性能的因素及强化措施间壁式换热器主要以热传导、对流形式传热。
但管壁导热热阻较小，对传热影响不大.影响其传热过程的因素主要来自对流传热过程，其中影响较大的有以下几方面。
1)流体的种类和相变:不同的液体、气体或蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。
流体有相变的传热过程，其传热机理不同于无相变过程，所以传热系数不同。
2)流体的特性:对对流传热系数影响较大的流体物性有导热系数、乳度、比热容、密度以及体积膨胀系数。
对同一种流体，流体的物性不同，对流传热系数亦不同。
3)流体的流动状态:由层流和湍流的传热机理可知，流体处于层流状态，对流传热系数较小，流体处于剧烈的湍流状态时，对流传热系数大。
4)流体流动的原因:按引起流动的原因分，对流传热分为自然对流和强制对流。
强制对流的传热系数较自然对流的传热系数大几倍甚至几十倍。
5)传热面的形状、位置和大小:传热面的形状(如管、板、环隙、翅片等)、传热面方位和布置(水平或垂直放置，管束的排列方式等)及管道尺寸(如管径和管长等)都直接影响对流传热系数。
6)流体的温度:流体的温度对对流传热的影响表现在流体温度和壁面温度之差、流体物性随温度变化的程度以及附加自然对流等方面。
此外，由于流体内部温度分布不均匀，必然导致密度的差异，从而产生附加的自然对流，这种影响又与热流方向及管子排列情况等有关。
此外，换热器在实际操作中，传热表面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，所以生产用的换热器要防止和减少污垢层的形成，降低其对传热效果的影响。
2·间壁式换热器传热过称的强化路径换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量尽可能增多。
其意义在于:在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率;在设备容量不变的情况下使其结构更加紧凑，减少占地空间，节约材料，降低成本:在某种特定技术过程中使某些特殊工艺要求得以实施等。
传热学第三章答案
3- 3假设把汽轮机的汽缸壁及其外的绝热层近似地看成
是两块整密接触的无限大平板（绝热层厚度大于汽缸
壁）。试定性地画出汽缸机从冷态启动（即整个汽轮机
均与环境处于热平衡）后，缸壁及绝热层中的温度分布
随时间的变化。
解：
（町设内壁一 下干达到额定温
度占
3—4在一内部流动的对流换热试验中（见附图），用
答：要改善热电偶的温度响应特性，即最大CV限
度降低热电偶的时间常数c虛形状 上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化 热电偶表面的对流换热。
3.试说明”无限大平板”物理概念 ，并举出一二个 可以按无限大平板处理的非稳态导热问题
答；所谓“无限大”平板，是指其长宽尺度 远大于其厚度，从边缘交换的热量可以忽略 不计，当平板两侧换热均匀时，热量只垂直于板 面方向流动。如薄板两侧均匀加热或冷却、 炉墙或冷库的保温层导热等情况可以按无限大 平板处理。
hA
解：由题意知Bi-0.0078 0"
故可采用集总参数法处理。由平板两边对 称受热，板内温度分布必以其中心对称， 建立微分方程，引入过余温度，则得:
d
cv hA 0 d
(0) t t0
-exp(出)exp(h) exp(—)0cvc(V / A)
解之得:
当100C时，将数据代入得，=3633s
3—14一含碳约0.5%的曲轴，加热到6000C后置 于
4.什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段?这一
阶段在物理过程及数学处理上都有些什么特点 ？
答：非稳态导热过程进行到一定程度，初始温度分
布的影响就会消失，虽然各点温度仍随时间变化 ，但过
余温度的比值已与时间无关， 只是几何位置 （X/）和边界条件（Bi数） 的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称 为正规状况阶段或充分发展阶段。这一阶段的
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2.1.2 叶片式
6个区 1. 液体从叶轮切向喷 射出去 2. 液体对筒壁冲击如 滞流 3. 筒体上部和下部角 区为位流 4. 旋转轴线的顶部和 底部也为位流 5. 筒体中心为自下而 上的圆形喷射流 6. 叶轮侧面的上下部 为两个不同高度的 环形死水区
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•单管Rev<1000时，未发现振动对传热有明显影响； 中国 南京 •当Rev=1000~2200时，且在β>70° 区域有较明显的增强；在 4的无振动时换热系数沿圆管外表面的周向 •° R e>10 90 ~120 °范围换热系数平均增大 19%，但在0°~90°平均只 分布：圆周角 β<90°时，层流边界层逐渐增厚， 增加 5.5%。 β =90 °~120°范围内形成湍流边界层，而在 增 •在R e v≥8000后，在90°~150°区域增加最大；前部和后部换热 大 β >120 °后产生流动脱离区。 强度都增加很少。 0°~90°平均值增大10%， 90°~180°平 均值增大44%。 增 大 Tu=12%, Rev=4000
• Nusselt (1916)竖直平 1/ 4 3 - g g hfg 板上的凝结模型及平 0.923 Nu L Ts - Tw 均换热系数计算公式 • 将凝结平板接地，在 附近平行地设置一个 2 E2 与高压电源相接的电 1 1 L EL g g p L - pg 极板，当电压增加到 2 2 rL rK 一定程度时，液膜溅 出液滴而使液膜变薄，在35kV电压下，氟利昂-113 凝结换热系数可增加3 的凝结换热可增加2.4倍，而 倍。 二乙醚却增加9倍。
b为拉普拉斯常数
2 b g σ为表面张力，Δ ρ
为流体与汽泡的密度差
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• 在电磁场作用下汽泡被拉长，不仅增大汽泡的表面 积，而且使边界角θ随之减小，导致脱离半径r0减 小。汽泡成长速度加快，增大脱离频率，从而提高 从泡核沸腾向膜态沸腾过渡的临界热流密度，对于 增强低沸点介质的沸腾换热具有非常重要的意义。
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较优方案： • 有电场时 α和q都增大； • 缝短适合大q； 但低q时缝长α大 • 竖缝可达较大q； 但低q时横缝α大
无电场
能源与环境学院 有电场
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3.2.3.3电磁场对凝结换热的影响
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• 圆筒形，筒壁有夹套换热器，筒高约为直 径的1~1.5倍；搅拌叶轮在液体高度的1/3处。 • 低粘度搅拌器有
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• 高粘度搅拌器有
• 对于容易与 壁面粘结的 液体，可以 在叶轮外侧 装设刮面器， 以便将液膜、 沉淀或结垢 层刮去。
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0
• 如以Tf=40℃, q=47kW/m2代入,取Re=300, 得 α/α0=2.47。 • 高频加热比工频加热的管内对流换热系数 高出一倍以上。
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• 流体中掺加磁铁粉可在Re数较大时磁场仍能强化对流换热。 • 气流掺入磁铁粉，在磁场作用下形成不规则针状肋，传热与阻 力都增大。β 为体积含量。
强化传热技术 二乙醚,7mm,310kPa,70℃
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与无电场的情况一样，清 除不凝结气体也十分重要 • Ucr为电场对凝结换热开始发 生作用的临界电压 • 有三区：
– U/Ucr<2.3为过渡区，表面张力 和液体粘性对电场有一定压抑 作用，最大2倍。 – U/Ucr=2.3~4.6为基本强化区， 基本上由电力场和重力场所控 制，斜率最大。 – U/Ucr＞4.6为缓和区，斜率有 下降趋势，横向电场力的进一 步增加已经对凝结膜在重力作 用下的降落产生一定阻碍。
2 T E w T 2T t cp
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3.2.3.1电磁场中换热增强
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• 高频电场仅对层流换热有强化作用，而对 过渡区和湍流换热没有明显的增强作用。 • 层流区换热强化比也是随着Re数的增加而 急剧下降。 0.84Re -0.32 q 0.15Tf0.35
能源与环境学院 表观努谢尔数
v π Dx
x+
M1 41 x/D
Nu a Nu m - Re Pr(Tsw - Tb )/(Tw - Tb )
强化传热技术 吸出流体近壁处温度 实际努谢尔数
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• 由于
1 v v u u - 4 xv 1 - 41 x 1 D 1 u v/ u1 v/1
10% 60%
Tu=12%, Rev=0 Tu=2%, Rev=0 Tu为流体来 能源与环境学院 流湍流度
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3.2.3 电磁场作用下的对流换热
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• 1936年Senftleben首先发表了强电场作用下气体自然 对流换热的加强； • 其后Kronig-Ahsmann的实验证明绝缘介电液体也可 用强电场来增强对流换热系数。 • 电能消耗很小，尽管所需电压很高，电流仅几μA。 • 有一定发展前途。 • 在电场作用下的流体能量方程要加上电力对流换热 项： σ－流体的电导率
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经过多孔壁有质量流过时的管内层流换热
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• 热平衡式 •得
R dTb - qw u cp cp v0 Tb - Tw 2 dx qw D Nu Tb - Tw
Re Pr R dTb - Re w Pr 2Tb - Tw dx
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f w w0 1 cos(2π f t ) f0 0.8 f 1 cos(2π f t ) 0 f0 0.8 1/ F E F 0 1 F cos(2πFz) dz
F f/f 0 , z f 0t
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第三章 对流换热的有源强化
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• 有源强化技术除了需要通常的传热介质唧送 设备外，还需要外加的机械能、电磁能或其 它动力，以便使流体产生旋转、振动或扰动。 3.1利用机械搅动加强流体与壁面间的传热 • 搅拌釜是有源强化技术中应用最广泛的一种 工艺设备。 • 化工、食品、制药、制蜡和颜料等行业
• 代入得
2 Nu 1 - Re w Pr Nu由第一本征值λ1、流体Pr和透过多孔管壁 的流体Rew所决定。
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• • • •
fRe-Rew [73]计算曲线， [69]理论解析结果 有吸出时，阻力 系数随着吸出量 增大而迅速下降； • 喷入时，阻力系 数随着喷入量增 大而缓慢增大。
套管式换热器
Ap V0 w 1 2π f R cos(2π f t ) 能源与环境学院 A V0 强化传热技术
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• 令f0为流体最大脉动流量与V0相等时的脉动频率：
• 管内流速 • 换热强化比
V0 f0 2πAp R
• 换热强化比 的时间平均值 其中
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• 有质量吸出时， 速度剖面变瘦； 但温度剖面变胖。 • 有质量喷入时温 度剖面变瘦。
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• 不同Pr数时管 内层流换热系 数： • 有吸出时,Nu数 随吸出量增大 而迅速增大； 且Pr越大越明 显。 • 有喷入时, Nu 数随喷入量增 大而逐渐减小； 且Pr越大越明 显。
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平板与液体之 间的电位差 中国 南京
• 热流密度的简化式：
π qcr g g 24
蒸气的 介电常 数-密度
1/ 2
V
hfg
蒸气 膜的 厚度
液体的汽 化潜热
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汽油在加热平板上的热流密度/换热系数 • 临界热 流密度 q和换 热系数 α都随 着电场 强度E 增强而 增大。
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3.2.3.2电磁场对沸腾的影响
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• 浸泡在液体中的加热面温度超过液体的沸点时，产 生汽泡，并长大，当浮升力和周围液体运动给予汽 泡的力超过汽泡重力和表面张力时，气泡就脱离壁 面而上升。 • 汽泡脱离半径r0与它的边界角θ成正比：
r0 b
• x处Re数 Re Re1 (1- 41 x ) • x处平均Nu数
n Nu C Re1
x 0
Nu
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qm dx
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π D x T
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Nu0为无吸出的Nu值 • 换热强化比随β 增大而 增大，壁温则降低； • Re1越大，质量吸出的 强化效果就越显著。 • 当多孔管出口堵死时， 流量只能从管壁透过。 • 当从104增加到105时， 管子中部的换热强化比 由4增为8。
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